DNA Lego klodser muliggør hurtig genskrivbar datalagring

DNA -datalagring kan blive lettere at læse og skrive end før, ifølge forskere ved University of Cambridge Cavendish Laboratory i Storbritannien. De rapporterer om en teknik, der også kan lagre krypterede data, samt omskrive data.

Den oprindelige idé bag DNA-datalagring er at syntetisere lange DNA-molekyler med skræddersyede sekvenser af baseenheder, der koder for digitale data. Datatætheden opnået ved denne tilgang er størrelsesordener højere end eksisterende magnetiske eller solid-state teknologier, og varer tusinder i modsætning til titusinder af år. Levetiden og datatætheden af ​​DNA-datalagring ville være særlig nyttig for dataarkiver, hvis det ikke var for nogle væsentlige begrænsninger.

"Et af de største spørgsmål er at lave DNA, " siger Ulrich Keyser, professor i anvendt fysik ved University of Cambridge i Storbritannien. Han forklarer, at syntetisering af de nova DNA-molekyler med foreskrevne baseenhedssekvenser længe nok til at lagre data er vanskelig og kræver enzymer. "Med vores tilgang, det er ligesom legoklodser. Du gør det bare ved at blande sammen, opvarmning og afkøling."

Læsning af data gemt i sekvensen af ​​basepar er også langsom og dyr. Sekvenseringsteknologi er kommet langt, men det er stadig mest afhængig af at replikere milliarder af kopier af molekylet for at forstærke signaler fra proteininteraktioner, og så videre.

En alternativ sekventeringstilgang passerer DNA-molekylet gennem en nanopore og aflæser sekvensen i realtid fra ændringerne i ionstrømmen, når forskellige basepar passerer igennem. Selvom det er billigere og mere effektivt, læsning af bits fra basepar i DNA-rygraden tager stadig for lang tid for datalagringsteknologier. Imidlertid, ved at gemme data om udhæng, der sidder fast på hovedryggen, Keyser og hans team udviklede en tilgang, som nanopore-teknologi nemt og præcist kan læse, og simpel blanding kan skrive.

Ved at inkorporere "tåhold" på de overhængsskrevne data, de viser, at den let kan fjernes og omskrives. "Jeg var overrasket over, at omskrivningen fungerede og kunne være så enkel, fordi dette er meget svært med enhver anden DNA-datateknik, " siger Keyser.

Sansende potentiale

"Idéen, som vi startede med, var at fornemme forstærkning, " forklarer Kaikai Chen, den første forfatter til Nano bogstaver papir, der rapporterer disse resultater. "Så kom vi på ideen til datalagring."

Nøglen til den banebrydende tilgang er at kontrollere, hvordan udhæng af enkeltstrenget DNA "anneales". Mens sekvensen af ​​basepar i DNA-rygraden er identisk fra et molekyle til et andet, forskerne annealer specifikke overhæng med komplementært enkeltstrenget DNA, der er biotinyleret, mens resten glødes med almindeligt enkeltstrenget DNA. Hvor den komplementære streng er biotinyleret, vil den binde med streptavidinmolekyler, som laver en let påviselig ændring i ionstrømmen, når DNA'et passerer gennem en nanopore, læser det som "1." Hvor overhængende DNA -streng ikke har streptavidin, de skrevne data er "0." Gruppen brugte anerkendte teknikker baseret på molekyler, der er hjemme i bestemte områder af molekylet for at levere den korrekte komplementære streng til den rigtige adresse.

Den "tåhold", der muliggør omskrivning, er bare en lille ekstra enkeltstrenget DNA, der stikker ud efter funktionalisering, gør det nemt at fjerne og genskrive. Når de biotinylerede strenge forlades, efterlades dataene krypteret, fordi kun nogen, der kender sekvensen af ​​enkeltstrengede DNA-udhæng, vil vide, hvilken sekvens den komplementære streng skal have for at levere de biotinylerede strenge, der vil binde med streptavidin, og så skelne dem fra nullerne.

Fremtid

Den næste udfordring for teknologien ville være opskalering. Da de driver et fysiklaboratorium, Keyser ser ikke dette som fokus for deres næste skridt som et team, selvom det i princippet virker ligetil med brug af pipetteringsrobotter eller mikrofluidik. "Der er allerede virksomheder, der tilbyder de mikrofluidiske produkter, der kunne bruges, " tilføjer Chen.

Forskerne ser nu på, hvilke andre funktionelle grupper de kan bruge udover streptavidin. "I princippet, vores metode kan tilpasse sig forskellig funktionalisering, " siger Chen. De brugte streptavidin til deres principbevis, fordi det er en funktionel gruppe, de kender. "Det er meget ligetil og fungerer godt, tilføjer han. Brug af mindre grupper kan tillade opbevaring med højere tæthed.

Intet valg af funktionel gruppe vil muliggøre helt den datatæthed, der opnås ved at lagre dataene i baseparsekvensen. Keyser foreslår, at dette også kan forklare, hvorfor ingen tænkte på at prøve legoklods-tilgangen før. Selvom arbejde med nye teknologier har en tendens til at følge op på de allerede demonstrerede teknikker i stedet for at tage en ortogonal tilgang, fokus på optimering af datatæthed kan have virket som en yderligere afskrækkende virkning. Endnu, fordelene ved hurtigere, lettere læsning og skrivning, og især genskrivning, kan gøre afvejningen værd. Omskrivbar DNA-datalagring åbner også muligheder for DNA-beregninger, som kunne tilbyde et alternativ til traditionel computing, at selvom det er langsomt, bruger meget lidt energi og har derfor værdi til nogle applikationer.

© 2020 Science X Network